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電磁波知多少:淺談電磁波

一般家裡常用的無線電話,其訊號使用的是電磁波中的2.4GHz頻率,也 是屬於ISM頻段。

一則關於Wi-Fi的新聞,今年從丹麥延燒到台灣,嚇壞了不少網路使用者:五名丹麥國中女生進行了一項實驗,指出Wi-Fi輻射可能殺死植物!記者同時寫道:「國內專家說,Wi-Fi輻射長期影響,可能致癌!」如此聳動的文字,再次挑動了國人對輻射的恐懼神經。所謂輻射,即電磁波,其實普遍存在於我們的周遭,而這種波真的時時刻刻在威脅著人類的健康嗎?
 
 漂亮的數學、迷人的電磁波 
 
科學的根本,在於數學,越是碰觸科學的根本,就越需要以數學做完整的描述。19世紀中葉一位極為重要的科學家馬克斯威爾(Maxwell),發表了其影響電機電子產業至深至遠之馬克斯威爾方程組,該方程組最令人津津樂道者,莫過於在以實驗驗證之前,即由數學預測到電磁波之存在。

國立台灣科技大學電機工程系馬自莊教授,長年進行電磁波相關研究,他之所以熱愛「電磁波」,即因其具備「漂亮的數學」。他說:「電磁波的行為可以用完整的數學來描述及預測是它最迷人的地方,這個特質也是許多科學領域所無的」。
 
但這種近乎是「藝術」的科學,卻難倒了絕大多數的高材生。馬教授略顯無奈的表示,即使是電機系的同學,在100個學生中大約只有5位能「忍受」電磁波這樣既複雜又生動的數學描述,更遑論將複雜的數學方程式與實際空間中的電磁物理現象產生緊密連想。
 
 生活中無所不在的電磁波 
 
電磁波,顧名思義即是結合「電」與「磁」的一種「波動」,簡單的說就是,當電場與磁場隨時間發生變化時,在空間中所形成的一種波,它可以攜帶功率,也不需介質傳遞,並以光速運動著。
 
電磁波只是一種泛稱,其實它涵蓋的範圍相當廣泛。習慣上我們衡量電磁波都會以波的振動「頻率」作為分類的依據。「頻率」的單位為Hz(赫茲),也就是波動每秒鐘振動的次數;頻率比較低,即表每秒振動的次數比較少,反之亦然。而頻率還有一重要的物理特性,即每一單位的電磁波所能攜帶之能量係反比於頻率。
       
這些摸不到也看不見的各頻率電磁波,其實是無所不在的充塞在我們生活周遭。舉例而言,日常生活必備的電力所用的輸配電線與變電相關措施,係利用50 ~ 60 Hz之極低頻電磁場進行傳遞,因此我們所使用的電器用品,或多或少都會於相對應之同一頻段、甚至於其倍頻如 150 ~ 180 Hz處,產生一定程度的電磁輻射。
 
若往振動次數較高之「高頻端」移動,在106 ~ 108 Hz間,則包含了生活中常見的AM與FM無線廣播、「捷運悠遊卡」射頻辨識系統、及數位電視廣播等等;而2G、3G、4G行動電話、以及Wi-Fi無線網路、藍芽等,其等又屬於109 ~ 1010 Hz的「微波」頻段;可見我們每天在使用習以為常的如家電設備、數據通訊設備或信息傳播設備雖然都在產生各式的電磁波,但我們仍需仰賴它們為我們作各種的服務。
 
若我們再往更高頻端移動,約莫1011 ~ 1016 Hz間,就是會直接與我們感官產生各種反應的「遠紅外線」、「紅外線」、「可見光」與「紫外線」等波段。我們的肉眼「只能看見」可見光波段的各種光線(如彩虹),而「紅外線」與「紫外線」雖在可見光波段之外,無法「被看見」,但仍可感受到二者所造成的影響:比如說,「紅外線」會讓我們感受到「熱」,而「紫外線」則會曬傷我們的皮膚。值得注意的是,電磁波的頻率若高到紫外線的範疇,如保護不當是會對人體產生某種程度的傷害的。
 
再繼續往更更高頻移動時,則電磁波的特性會依據近代物理的波與粒子二象性(wave-particle duality)的預測趨向於粒子性。當頻率超過1016 Hz以上時,我們稱其為游離輻射(反之,當電磁波頻率低於1016 Hz時,則可通稱為非游離輻射)。

游離輻射電磁波所帶能量十分強大,足以穿透人的身體,例如醫學上常用的X光顯影即是一種;至於能量更為強大的 γ 射線,則是核衰變時所產生的副產品,當然更具危險性。這些具有極高能量的電磁波,可以穿透人體,尤其是當它們接觸到細胞時,強大的能量會打斷DNA鍵結,引發細胞突變的可能,嚴重危害人體的健康,其危險性不言而喻。

綜觀上述,民眾日常生活所接觸到的微波因其頻率相對較低,每單位所攜帶之能量僅為致命級紫外光之千萬分之一,故造成的傷害應不足為慮也!
 
 電磁波對人體真的有害嗎? 
 
電磁波既然充斥在我們日常生活中,那它對於人體會有害嗎?馬教授面對這個大問題,提供了幾個思考的方向:首先,必須要釐清電磁波的種類與強度的問題。『游離性』與『非游離性』電磁波皆屬於電磁波的範疇,但前者帶有巨大的能量,能穿透人體,破壞細胞造成嚴重傷害,但後者迄今仍無任何對人體有負面影響的明確科學證據。
 
即使,就算是頻率相似的電磁波,如果它們的強度有明顯差異,對於人體所造成的影響也會不同。例如,微波爐與Wi-Fi基地台兩者都使用2.45 GHz頻段(註:1 GHz = 109 Hz),但微波爐於烹煮食物時所使用的功率,是Wi-Fi基地台的10萬倍,故微波爐可使之迅速加熱煮熟食物,但Wi-Fi基地台對生物的影響則極小,因其所發送的功率非常微小之故。此二者所造成的影響是無法相提並論的,民眾應對此差異有正確之認知。
 
再者,依據全球多個大型研究團隊多年來累積的辯證,目前微波通訊所使用的電磁波,對人體所產生最顯著的影響不外乎造成些微的「發熱」效應而已。以接聽手機為例,一般在使用手機時,其增溫僅零點幾度。如果說這樣局部、微小的溫度變化,會對人體造成傷害,未免太過誇大,也缺乏嚴謹的科學論證。況且,有些人甚至宣稱頻率更高、單位能量更強的遠紅外線,可當作醫療加熱之用,而且民眾對於宣稱有「遠紅外線」療效的產品更是趨之若鶩,兩相對照,豈不是相互矛盾嗎?!

另外一個可思考的方向,則是「科學嚴謹辯證」的問題。馬教授對於這幾位丹麥國中生宣稱經由實驗證實Wi-Fi電磁波能殺死植物的結果,保持高度的懷疑。他認為任何「科學實驗」皆必須有非常周延與嚴謹的變因控制設計,所有的論述與推敲也都必須經得起反覆檢視,其結果才有價值。
 
丹麥所進行的這個實驗,其測試過程中諸多環境變數是否已獲得充分之掌握,並無法確知,例如該植物之光照時間、每日澆水的次數、周圍溫度的控制等,皆可能成為影響植物存活的必要因子。因此,僅從網路上所流傳的簡短敘述,實在無法看出Wi-Fi訊號與植物生長被抑制的直接關聯,憑此斷然以「Wi-Fi訊號電磁波能殺死植物」作為結論,實在是個危言聳聽的言論。
 
他強調,迄今並沒有確切的科學證據表示『非游離性』電磁波對人體是有傷害的。尤其在個人行動通訊已普及近二十年後的今天,一般所認知的公衛領域統計資料,應會逐漸呈現出與上述健康命題相關的統計數據。然觀諸世界各國之研究,並無法得出「非游離性」電磁波(尤其是微波頻段)會危害人體的結論。因之,民眾大可不必對於手機或微波設備之電磁波輻射過於恐慌。
 
馬教授表示,事實上,我們生活當中反而有太多其他的致病因子,對人體有更直接、更嚴重的影響,譬如食物、空氣和水質。尤其經歷了這些年的食安風暴後,我們更加清楚瞭解到,不良的飲食原料或習慣,對人體腸胃道的致病傷害性是強烈且無庸置疑的;而近年由東北季風帶至臺灣的懸浮粒子空氣污染,亦可能與某些呼吸道疾病之快速增加有非常密切的關係。
 
由於在大規模驗證「非游離性電磁波」對人體是否有害的實驗統計中,也是難以排除這些日常生活中更強致病因子的影響(人總是得要吃飯、呼吸),因此未來若要取得更有說服力的實驗數據,馬教授認為並不容易,但他實在難以想像,電磁波對人體的影響竟會比黑心食品、空氣中細懸浮微粒(PM2.5來的更大、更顯著。

 
 NCC(國家通訊傳播委員會)與電磁波 
 
最後,馬教授還談及電磁波頻率的管理工作,由於電磁波之頻率分布範圍極廣,其應用範圍與種類亦如此多樣性,那如何才能確保使用上的不重疊與通訊之順暢呢?此時國家通訊傳播委員會(NCC)即肩負這項重要的使命,為國家負責頻譜管理的最高任務機關。NCC 委員會必須明確規範,哪些頻段是專門給行動通訊使用,哪些頻段是給廣播使用,甚至於國防或太空設施所使用的範圍也需有明確規定,這樣才不會有互相干擾的現象。
 
值得一提的是,國際上有個一致的共識,會開放某些特定頻段給工業、科研與醫學產業自由使用,以免除不必要之管制,此即為ISM 頻段。如此一來,企業產品及民眾可大幅減少凡事都必須向有關機關申請使用頻道的程序。常見的ISM 頻段包含 900 MHz、2.4 GHz、5 GHz及60 GHz等。透過 ISM 頻段的設立,我們方能在家能輕鬆、自由地架設使用Wi-Fi無線網路基地台、藍芽等設備。
 
總之,電磁波原本就存在於我們的四周,隨著行動電話、無線上網、各種非接觸式感應卡片的巨量使用,使得各式各樣的電磁波更加充斥。我們對於看不見的東西總是容易心懷恐懼,但是馬教授提醒我們,在面對這些未知的事物時,應以理性與科學的態度去面對、認識,會比妄下論斷與滿心慌恐來得更有意義。

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